楊 旭

(河北省承德水文勘測(cè)研究中心，河北 承德 067000)

1 流域概況

青龍河屬于海河流域，是灤河流域的主要支流之一，流域發(fā)源于燕山山脈， 范圍包括河北省秦皇島市至遼寧省凌源市。流域下游的桃林口水庫(kù)是“八五”“九五”期間水利部、河北省的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目[1]。引灤濟(jì)津工程成功為天津調(diào)水后，為解決灤河中下游地區(qū)的用水困難問(wèn)題，建立了桃林口水庫(kù)，旨在開(kāi)發(fā)灤河中下游水資源，主要為秦皇島和唐山供給生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水。

2 數(shù)據(jù)及模型介紹

2.1 數(shù)據(jù)信息

文章列出了 BASINS/HSPF 模型需要的前期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括地形數(shù)據(jù)、土地利用、河網(wǎng)數(shù)據(jù)和氣象水文數(shù)據(jù)建立BASINS 模型所需的數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備完成，見(jiàn)表1所示。除此以外，本章還列出了模型模擬需要的流域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)及其來(lái)源，為模型運(yùn)行、校準(zhǔn)和驗(yàn)證過(guò)程做好了準(zhǔn)備工作[2]。

表1 BASINS 數(shù)據(jù)庫(kù)

2.2 模型簡(jiǎn)介及模擬過(guò)程

BASINS(Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources)是由美國(guó)環(huán)保局(EPA)開(kāi)發(fā)的，以物理過(guò)程為基礎(chǔ)的、面向流域的多功能綜合水質(zhì)分析系統(tǒng)，它使用了Windows環(huán)境和Map Window GIS 作為集成框架，主要用于流域的水文和水質(zhì)分析，并能夠生成流域特征報(bào)告[3]。HSPF模型提供的是一個(gè)交互式界面，可以創(chuàng)建HSPF輸入序列或修改現(xiàn)有HSPF輸入序列，基于uci文件，模型還可以從內(nèi)部運(yùn)行與修改程序。HSPF模型將空間分布的物理屬性與水文響應(yīng)單元(HRU)相結(jié)合，每一個(gè)單元與氣象輸入數(shù)據(jù)(如降雨、潛在蒸發(fā)和溫度)以及儲(chǔ)存能力因素(如坡面截留和土壤儲(chǔ)存)響應(yīng)，以統(tǒng)一的方式輸出。

3 模擬過(guò)程及結(jié)果

3.1 水溫模擬

流域水質(zhì)模擬的對(duì)象為總氮、總磷、氨氮和 BOD，在模擬污染物之前，首先需要完成泥沙和水溫的模擬，泥沙和水溫不僅可作為污染物，同時(shí)也對(duì)其它水質(zhì)成分的遷移變化有顯著的影響[4]。水溫模塊計(jì)算輸出選擇HTRCH:TW。為了校準(zhǔn)溫度，需要調(diào)整的參數(shù)包括PSTEMP(ASLT、BSLT、ULTP1、ULTP2)、IWTGAS(AWTF、BWTF)和 RCHERS等，相對(duì)河道中的水流來(lái)說(shuō)，表層流的流量很小， 坡面流的溫度能夠很快與渠道中水流的溫度達(dá)到動(dòng)力平衡，不會(huì)影響到渠道中水流的溫度[46]，因此比較重要的參數(shù)主要是 RCHERS 中的 KATRAD、KCOND、KEVAP和CFSAEX。CFSAEX 與太陽(yáng)輻射有關(guān)，KATRAD 是長(zhǎng)波輻射系數(shù)，KCOND 與溫度的傳輸過(guò)程有關(guān)，KEVAP 是蒸發(fā)系數(shù)。水溫模擬結(jié)果如圖2所示，研究流域可以獲取的實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)為2010年，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3，整體趨勢(shì)較為接近。

圖1 模型運(yùn)行圖

圖2 水溫模擬結(jié)果

圖3 2010年研究流域水溫模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果

3.2 泥沙模擬

泥沙是地表沖刷過(guò)程中流失的最為常見(jiàn)的污染物質(zhì)，泥沙不僅可能淤積河道，也可能由于淤積而導(dǎo)致水庫(kù)庫(kù)容減小。同時(shí)，泥沙在輸移過(guò)程中還會(huì)傳輸、攜帶營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與有毒物質(zhì)，因此，泥沙的模擬也是后續(xù)污染物模擬的基礎(chǔ)。

模型運(yùn)行之后，在 GenScn 中查看模擬結(jié)果，并進(jìn)行泥沙校準(zhǔn)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括桃林口流域多年平均侵蝕模數(shù)和徑流小區(qū)侵蝕模數(shù)，對(duì)比侵蝕模數(shù)與所有分割單元上SOSED(坡面流沖刷沉積物與土壤總量)和SOSLD(不透水地面地表徑流沖刷量)兩項(xiàng)總和以評(píng)判模擬效果[5]。

泥沙參數(shù)調(diào)整的思路以模型運(yùn)算過(guò)程為依據(jù)，分透水地面、不透水地面和水體進(jìn)行。分析研究流域內(nèi)的土地利用面積，透水地面耕地、樹(shù)林與草地為主要類(lèi)型，分別占總土地面積的 45.84%、50.79%和2.99%。研究流域按大暖泉各徑流小區(qū)實(shí)測(cè)了泥沙的侵蝕模數(shù)，根據(jù)徑流小區(qū)的坡度和植被分布特征，選擇編號(hào)為4的對(duì)應(yīng)草地類(lèi)型，XQ6 和 XQ9 分別對(duì)應(yīng)耕地與樹(shù)林，如表2所示。

表2 徑流小區(qū)對(duì)應(yīng)土地類(lèi)型

首先調(diào)整透水地面的有關(guān)參數(shù)，設(shè)置城市和水體的泥沙輸出量為 0，分別假設(shè)透水地面均為耕地、樹(shù)林和草地，在土地編輯器中調(diào)整各土地類(lèi)型面積，見(jiàn)圖4。統(tǒng)一設(shè)置透水地面的所有參數(shù)，與對(duì)應(yīng)徑流小區(qū)2012年的泥沙侵蝕模數(shù)對(duì)比。

圖4 HSPF 模型中土地編輯窗口

校準(zhǔn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)青龍河流域而言，KGER和JGER兩個(gè)參數(shù)對(duì)三種土地類(lèi)型的泥沙輸出結(jié)果影響較為明顯，樹(shù)林的泥沙模擬結(jié)果還受參數(shù)KRER和MON-COVER 表影響。與三個(gè)徑流小區(qū)的擬合誤差較小后，接著進(jìn)行不透水地面與水體的參數(shù)調(diào)整，使整體泥沙輸出量與多年平均侵蝕模數(shù)對(duì)比，得到較為滿意的模擬結(jié)果。泥沙校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示，總誤差為-1.176%，模擬效果較理想。

表3 泥沙校準(zhǔn)結(jié)果評(píng)價(jià)

圖5反映了1957-2013年間每年的泥沙輸出量，從中看出，泥沙輸出的年際變化懸殊。產(chǎn)沙量最高的類(lèi)型為 P101、P105、P107 和 P112，均為土地利用中的耕地類(lèi)型，說(shuō)明即耕地對(duì)水體中泥沙含量貢獻(xiàn)最大。由于泥沙實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不足，此處只能做到較為粗糙的模擬，但從總量與分類(lèi)的模擬結(jié)果來(lái)看，泥沙的參數(shù)校準(zhǔn)有一定的可靠性。如果在更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下，可以進(jìn)行 SLDS(不透水地面地表沉積物儲(chǔ)量)和 DETS(可剝離的潛在沉積物儲(chǔ)量)圖形的描繪，來(lái)比較泥沙沖刷的細(xì)節(jié)部分，提高模擬精度。

圖5 1957年—2013年研究流域年均泥沙輸出量

3.3 污染物模擬

1)污染物模擬

研究流域水質(zhì)模擬包括點(diǎn)源污染與非點(diǎn)源源污染兩部分，模擬的水質(zhì)成分包括BOD、總氮、氨氮和總磷，見(jiàn)圖6。點(diǎn)源污染主要考慮青龍滿族自治縣滿源水處理有限公司的污染負(fù)荷數(shù)據(jù)，污染物數(shù)據(jù)來(lái)自2012年-2014年《污水處理廠國(guó)控企業(yè)主要污染物監(jiān)督性監(jiān)測(cè)結(jié)果》。青龍縣滿源污水處理廠于2010年6月28日正式投入使用，因此點(diǎn)源污染數(shù)據(jù)從該日起開(kāi)始輸入。在HSPF模型界面輸入點(diǎn)源污染，如圖7 所示，需要設(shè)定污染源排放的位置、污染物類(lèi)型及日負(fù)荷量等。根據(jù)地理位置，設(shè)置點(diǎn)源在編號(hào)為15的河段(即南河)，輸入4種污染物類(lèi)型，分別為總氮、總磷、氨氮和BOD。由于COD在沿途過(guò)程中的衰減主要是 BOD 物質(zhì)的衰減，同時(shí)根據(jù)桃林口水庫(kù)多年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，BOD 是 COD 的主要組成，故此處可應(yīng)用 BOD替代COD。

圖6 選擇目標(biāo)輸出水質(zhì)成分

圖7 在 HSPF 模型中輸入點(diǎn)源污染

青龍河流域內(nèi)面污染源以殘留農(nóng)藥、化肥為主，農(nóng)藥平均為9.6kg/hm2，化肥平均為544.5kg/hm2。生活污染包括生活污水排放、生活垃圾露天堆置等，根據(jù)研究流域人口數(shù)量，參考國(guó)家環(huán)保局確定的污染源調(diào)查參數(shù)，選擇“污染人均產(chǎn)物系數(shù)法”進(jìn)行估算[51]，其中BOD參照CODcr，取值為16.4g/head·d,總氮負(fù)荷量為5.0 g/head·d，總磷取0.44 g/head·d，氨氮取4.0g/head·d，調(diào)查研究流域的人口數(shù)量，估計(jì)四種污染物的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量。

參數(shù)在污染物的模擬中至關(guān)重要，參數(shù)值的選取主要考慮兩方面：首先根據(jù)參數(shù)說(shuō)明和經(jīng)驗(yàn)值輸入初始參數(shù)，而后根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的對(duì)比進(jìn)行調(diào)整。這些參數(shù)決定了污染物模擬的方法、水體或泥沙中輸移量以及初始儲(chǔ)量等相關(guān)信息。在 HSPF 模型中，PQUAL 和 IQUAL 實(shí)現(xiàn)水質(zhì)組分的輸入有兩種方法，分別為一階消解速率法和潛在因素法[52]。由于磷吸附在泥沙中，且其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程與泥沙有密切關(guān)系，因此本研究選擇潛在因素法，其它污染物均采用一階消解速率法.

2)污染物模擬校準(zhǔn)

用于校準(zhǔn)水質(zhì)模擬的數(shù)據(jù)為桃林口水庫(kù)2012年監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一年只有 7 組，因此校準(zhǔn)的目標(biāo)主要為一年中水質(zhì)變化的趨勢(shì)。將點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染數(shù)據(jù)輸入模型后，初步模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)之間的偏差通過(guò)調(diào)整每月變化的參數(shù)來(lái)減小。對(duì)BOD、氮和氨氮，參數(shù)包括水質(zhì)成分在地表徑流、壤中流和地下水中的每月分配，磷吸附在泥沙中，因此影響磷的參數(shù)主要在泥沙吸附、壤中流和地下水中的每月分配。

圖8-圖11為2012年流域內(nèi)四種污染負(fù)荷模擬值與實(shí)測(cè)值的比較。從對(duì)比情況來(lái)看，模型基本能夠模擬出四種水質(zhì)成分的變化趨勢(shì)，擬合程度較好，模擬數(shù)據(jù)的平均值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也較為接近。其中BOD模擬值偏大，由于資料的局限性，計(jì)算BOD非點(diǎn)源污染時(shí)選用的是國(guó)家環(huán)保局確定的太湖流域污染源調(diào)查參數(shù)，與研究流域?qū)嶋H情況有一定出入，就平均值而言，模擬值全年平均為2.72，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值為2.33，認(rèn)為誤差在可接受范圍之內(nèi)。

圖8 桃林口水庫(kù)總氮模擬值與實(shí)測(cè)值比較

圖9 桃林口水庫(kù)氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值比較

圖10 桃林口水庫(kù)總磷模擬值與實(shí)測(cè)值比較

圖11 桃林口水庫(kù) BOD 模擬值與實(shí)測(cè)值比較

3)結(jié)果分析

污染物模擬的結(jié)果沒(méi)有采用水文模型中的Nash效率系數(shù)與集對(duì)分析等方法，這是因?yàn)閷?shí)測(cè)水質(zhì)成分的數(shù)據(jù)一年只有7組，缺少連續(xù)時(shí)間序列，采用以上兩種方法分析沒(méi)有效果。但就總體效果而言，污染物模擬整體趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，流域出口輸出污染物總量見(jiàn)表4。在校準(zhǔn)全年變化趨勢(shì)的情況下，污染物模擬存在一定誤差。由于在物理、化學(xué)和生物的綜合作用下，污染物在多種環(huán)境介質(zhì)之間實(shí)際遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程比較復(fù)雜，模擬時(shí)僅考慮了部分主要的過(guò)程，且模型本身對(duì)污染物的遷移作了近似假設(shè)。其次，對(duì)模型參數(shù)的調(diào)整局限于研究者的認(rèn)知，與流域?qū)嶋H情況可能有所差異，許多參數(shù)的隨機(jī)性給模型的結(jié)果帶來(lái)了不確定性；最后，模擬結(jié)果的誤差還來(lái)自于前期泥沙和水溫模擬過(guò)程中的不確定性和誤差累積。

根據(jù)表4，在4種水質(zhì)成分中，總磷輸出量最小，為污染最輕的成分，總氮在該流域是主要的污染成分，BOD次之。氨氮數(shù)值較小，由此可知流域污染物中氮主要以硝態(tài)氮以及其它形式存在。在流域污染負(fù)荷輸出總量中，非點(diǎn)源污染占比例均在97%以上，說(shuō)明在青龍河流域，非點(diǎn)源污染起主要控制作用，因此，該流域的限制納污應(yīng)以非點(diǎn)源污染為削減對(duì)象。

表4 研究流域污染輸出總量

受經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況、土地類(lèi)型等因素影響，水體中的污染負(fù)荷量在不同子流域的分布有較大的差異?？偟虰OD在子流域15、20和22上的產(chǎn)量明顯大于其它子流域， 氨氮的產(chǎn)量在子流域14和15較大，流域20和22的氨氮分布最少，說(shuō)明在這兩個(gè)流域上的氮主要以硝態(tài)氮的形式存在，總磷的數(shù)值整體較小，其在子流域15的突出變化說(shuō)明滿源污水處理廠排出的點(diǎn)源污染對(duì)該流域的總磷污染起主要控制作用。

圖13 4種水質(zhì)成分在流域的空間分布

4 結(jié) 論

以青龍河流域的水文模型為基礎(chǔ)，建立了水質(zhì)模型，按水溫、泥沙和污染物的順序分別進(jìn)行了模擬與校準(zhǔn)。水溫模擬結(jié)果與 2010 年實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，泥沙的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為 2012 年流域侵蝕模數(shù)和大暖泉徑流小區(qū)的侵蝕模數(shù)。根據(jù)徑流小區(qū)的數(shù)據(jù)，首先對(duì)流域內(nèi)透水地面的泥沙參數(shù)進(jìn)行了率定，然后校準(zhǔn)不透水地面和水體的參數(shù)，與總侵蝕模數(shù)比較。泥沙總量擬合效果好，耕地類(lèi)型對(duì)泥沙負(fù)荷的貢獻(xiàn)量最大。污染物的輸出目標(biāo)是總氮、氨氮、總磷和 BOD，對(duì)四種水質(zhì)成分進(jìn)行點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染模擬，輸出結(jié)果與桃林口水庫(kù)入庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，總體趨勢(shì)吻合程度較好。